携帯電話アンテナの小型化と広帯域化に関する研究　〜抵抗負荷逆F型アンテナの特性〜

携帯電話アンテナの小型化と広帯域化に関する研究

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抵抗負荷逆

F

型アンテナの特性

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2005MT066

三輪雄規

指導教員

稲垣直樹

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はじめに

近年，非常に多くの人が携帯電話を所持するように なった．携帯電話の小型化に伴い，通信の出入り口であ るアンテナも小型化，省スペース化が必須となった．ア ンテナの小型化は，特性の悪化をもたらすのが普通なの で，その改善のために工夫が必要である．そこで本研究 では板状逆Fアンテナ(PIFA)に切り込みを加え，も う一つの工夫としてPIFAの短絡ポートに抵抗を付加す る．そして携帯電話に搭載が可能な大きさの小型アンテ ナに要求される特性を満たすアンテナを目指す．

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携帯電話アンテナ

2.1 携帯電話の小型化 移動通信としては1979年に自動車電話が誕生してい る．その6年後の1985年には3kgの肩掛けタイプの ショルダーホンが誕生．このあたりから携帯電話の小型 化が飛躍的に向上した．1987年には700ccのハンドヘ ルドタイプが誕生．2年後には約40％減の400cc，翌々 年の1991年には150cc，230gと，携帯するのに便利な 大きさとなり一般の人々にも広く普及した．現在重量は 120g程までになり，様々な機能も付随されている． 2.2 内蔵アンテナ 携帯電話にはアンテナが２つあり，多くは内蔵されて いる．内蔵アンテナは年々小型化される携帯機に合わせ て，薄型化，小面積化が求められる．しかし，アンテナを 小さくする為の誘電体や複雑なアンテナ形状は，損失の 増大や狭帯域化につながる．そのため，低損失な誘電体 や放射効率の良いアンテナ形状が開発されている．代表 的な内蔵アンテナに板状逆Ｆアンテナ(Planar Inverted F Antenna：PIFA)がある． 2.3 要求される特性 内蔵アンテナに関する技術課題には小型化，広帯域化， 多周波共用化，人体からの影響の抑制の4点が挙げられ る[1]．携帯電話の多機能化により多くのシステムに対 応するため多周波化が要求される．多機能化のため様々 な回路が増加し，アンテナの小型化が要求される．さら に小型化によっても動作帯域を保証する広帯域化技術が 必要となる．そして人体に近接して使用されるため，そ の影響が大きく，抑制する技術も必要となる． アンテナの周波数帯としては主に810∼960MHzと， 1920∼2170MHzが使われている．第3世代，第4世代 では698∼806MHz，3.4∼3.6GHzの2つの周波数帯も 加わり，アンテナは多周波化が緊急の課題である．

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逆

F

アンテナ

3.1 線状逆Fアンテナ 線状逆Ｆアンテナとは，アンテナの基本でもあるモノ ポールアンテナを途中で90°折り曲げ，給電線付近に短 絡線を付加してインピーダンス特性を改善したアンテナ であり，F字形状をしていることからこの名がある. 3.2 板状逆Fアンテナ 板状逆Ｆアンテナ(PIFA)は線状逆Ｆアンテナの地板 に並行な部分を板状にしたものである．板状にしたこと によって給電線を様々な位置に置くことができる他，放 射板にスロット(切り込み)を入れることができるなど， 様々な工夫を凝らすことが可能となり，アンテナの自由 度が増した．PIFAの放射板を曲げ，短絡線にチップ抵 抗器を負荷することによってアンテナ長をλ/8，アンテ ナ高0.01λまで小型化し，帯域幅を基本的な形のPIFA の10倍以上にすることができる[2]． 図1 PIFA

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測定パラメータ

4.1 リターンロス リターンロスはS11で表される．信号源と負荷イン ピーダンスが不整合の場合，信号源のもっている電力 が負荷に十分に供給されない，このために生ずる．0dB の場合，アンテナに供給される電力が放射されずに全 て反射して電源へ戻る．アンテナで電波が放射される などして電力が消費され，反射して戻る電力が減少す るとリターンロスが減少．アンテナとして利用する場 合，-10dB以下にすることが目安．この-10dB以下が帯 域幅とされる[3]． 4.2 VSWR特性

VSWRとはVoltage Standing Wave Ratioつまり電 圧定在波比のことで，進行波と反射波の関係を示す数 値である．伝送線路と負荷(アンテナ)にインピーダン スの不整合があると、その部分で反射波が発生する．そ のとき伝送線路には定在波が発生する．VSWRはある

程度高くても特に不都合は生じないが，空中へ放射され る電力が少なくなることや，電力効率，電波障害などの 点から，低い方が望ましい．VSWRが1ということは 定在波の最大値と最小値の比が1，つまり差が無いとい うことであり，反射波が無いということである．一般に VSWRは1.5以下が理想とされている．

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スロット装荷による多周波化

本研究ではS字状スロットを装荷した．図2はスロッ トなしの場合とスロットを装荷した場合とを比較した S11のグラフである．スロットの装荷によって多周波化 しているのがグラフから見て取れる．スロットを装荷す る程多周波化されるが今回の研究では最大5周波までで あった． スロットを縦に入れても横に入れても多周波化できる が，スロット長が短すぎると，迂回路が作れずスリット のない状態に近くなる．さらにスロットが給電線のある 側から始まるのか，逆から始まるのかでも電流の経路長 が変わるため特性にも違いが現れる． 図2 スロット装荷の有無によるS11特性の変化

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抵抗負荷による広帯域化

図3はスロットのみで抵抗を負荷していない状態と， 35Ωの抵抗を負荷した状態とを比較したS11のグラフ である．抵抗を負荷したことによって帯域幅が広くな り，広帯域化したのがよくわかる．抵抗を負荷するとリ ターンロスも改善される．負荷を大きくすれば広帯域化 されるが，負荷の大きさによっては目標の周波数帯から ずれてしまったり，リターンロスが改悪される． 図3 抵抗負荷の有無によるS11特性の変化

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直方体導体の上に設置したときの特性

アンテナ高6mm，20×40mmの平板に17×2mm のスロットを6つ装荷．35Ωの抵抗を負荷したアンテ ナを高さ13mm，100×40mmの直方体にアンテナを 設置．アンテナが直方体に収まるように直方体を変形． 図4はアンテナを直方体に設置した図である．直方体設 置前と設置後のS11とVSWRを図5と図6に示す． 図4 直方体導体の上に設置したPIFA 図5 直方体導体設置前後 のS11特性 図6 直方体導体設置前後 のVSWR特性 S11，VSWR両方とも設置後のほうが特性が良い．こ れは直方体にも電流が流れたため，直方体全体もアンテ ナとして機能したからである．

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おわりに

PIFAにスロットを装荷することによって多周波化さ れることが確認できた．さらに，抵抗負荷による広帯域 化についても確認．携帯電話で使用する周波数帯の各々 の一部しかカバーできず，第4世代の3.4∼3.6GHzの 周波数帯については全くカバーできなかった． 直方体部分には電流が流れるので，手で持った時や耳 に当てた時など，人体に近接した際に受けるであろう 多大な影響を考慮し，抑制する方法も考えなければなら ない．

参考文献

[1] 関根 秀一:“携帯端末用内蔵アンテナ技術”，電子情 報通信学会誌，Vol.88, No.7, pp535-540(2005.7). [2] Kin-Lu Wong, Kai-Ping Yang：“Modified planar

inverted F antenna”，Electronics Letters，Volume 34, Issue 1,pp. 7-8(1998.1)．

[3] 桑山真一，長島圭樹:“非平面グラウンド上の逆Ｆ型 アンテナに関する研究”，南山大学数理情報学部情報 通信学科2006年度卒業論文